CN109877445A - 一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，属于激光应用技术领域。飞秒激光系统产生具有高斯分布的飞秒激光，经过对高斯光束的能量和尺寸的控制之后，飞秒激光高斯光束平行入射到空间光调制器上，在空间光调制器上加载设计的相位图，生成飞秒激光可调无衍射光束。这种光束的无衍射区域长度、轴向强度灵活可调，结合空间光调制器的像素拆分方法可以将单焦点变成多焦点。将待加工的曲面放置于该无衍射区域。由于该区域长度足以覆盖整个曲面且轴向强度灵活可控，因此可以通过仅在二维平面内移动样品即可实现对于整个曲面的灵活处理，实现了降维加工，同时多焦点的灵活性保证了高的加工效率。该方法所需搭建光路简单，使用方便，加工参数灵活可调节，加工效率高，处理材料范围广，在激光表面结构加工领域中起到重要的作用。

Description

一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法

技术领域

本发明涉及一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

近些年来，表面微纳结构在光电子、生物传感、检测通讯等相关领域有着广泛的应用前景。表面微纳结构能够有效地调节被加工表面的多种特性，如反射率、浸润性等。由于在航空、造船等应用领域，如飞行器外壳、船身等部件处理中，待处理的表面主要是以曲面的形式存在，因此在曲面上高效地加工出可控的表面微纳结构对于实际应用有着重要的意义。

传统曲面处理技术主要采用机械加工方式，机械加工主要利用计算机编程技术和具有正负反馈体系的自动控制技术实现曲面加工。但是利用自动控制技术的曲面加工对于数控机床的精度提出了更高的要求，并且会产生明显的热效应，不仅极大地影响了加工精度，而且对难加工材料如硬脆材料等处理困难。

随着飞秒激光加工技术的成熟，飞秒激光依靠其超快、超强的特性被广泛应用于表面微纳结构的加工，飞秒激光加工具有精度高且处理材料范围广等优势。飞秒激光实现曲面表面处理的主要方式为共焦系统加工以及光丝/贝塞尔光束加工等。其中，共焦系统加工通常包含测量和加工两个步骤，首先利用脉冲激光对曲面进行测量，然后利用所获得的曲面形貌信息来控制加工脉冲激光的聚焦位置进行曲面加工，这种方法能够满足曲面加工的要求，但是需要搭建复杂且高精度的协同加工系统。光丝/贝塞尔光束的使用大大降低了曲面加工系统的复杂度，由于光丝和贝塞尔光束具有很长的焦深，因此在无需测量曲面参数的情况下能够直接在曲面上加工出表面微纳结构，但是光丝和贝塞尔光束的轴向强度分布不均匀且难以控制，因此不能够实现对所制备的表面微纳结构的参数控制。因此目前迫切需要一种能够高效且加工系统简单并能够处理各种难加工材料的可控曲面处理方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有曲面处理困难、处理材料范围有限、效率低下且系统复杂的问题，提供一种可调飞秒激光无衍射光束高效加工曲面表面结构的方法。该方法首先通过理论计算设计多种类型的相位图并加载到空间光调制器上，生成了可调的无衍射光束。在无需测量待加工表面轮廓参数的情况下高效地处理多种类型材料的曲面，并且能够有效地保证加工曲面表面微纳结构的可控性。这种加工方法效率高、无需检测表面参数，可以应用于各种难加工材料曲面的处理。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，具体步骤如下：

步骤一：利用能量调节装置对飞秒激光高斯光束进行能量控制；

步骤二：根据曲面处理的需要设计相位分布并生成相位图；在空间光调制器上加载生成的相位图实现对无衍射区域长度、轴向强度的灵活调控。

传统无衍射光束的相位τ₁为：

τ₁(r,z)＝kr sinβ (1)

其中，r为极坐标系极轴坐标，z为传播距离，β为等效锥透镜发散角，k＝2π/λ，为入射激光波失。为了实现对无衍射光束的长度进行灵活调节，需要在相位τ₁基础上加载平凹透镜相位τ₂：

其中，i为虚数单位，f为平凹透镜的焦距，n为足够大的实数。为了实现对无衍射光束的轴向强度的调控，需要在相位τ₁或τ₂基础上加载相位τ₃：

其中，A₀为初始振幅，w₀为光束束腰半径，m、n为自然数，z₀为传播方向任意位置坐标，g为轴向任意函数表达式。从而，无衍射光束的强度I与传播距离z的关系为：

其中J₀为零级无衍射函数。据此可以对无衍射光束传播过程中任意位置的轴向强度进行灵活调节。

利用公式(2)可以对无衍射光束的长度进行调节，利用公式(3)可以对轴向强度进行调节，综合公式(2)和(3)能够对无衍射光束长度和轴向强度进行同步调节。

利用上述的公式进行编程得到相位图。在空间光整形器上加载上述相位图，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为可调无衍射光束，实现对最终产生的无衍射区域的灵活调控；

步骤三：将加工样品置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将步骤三中得到的可调无衍射光束聚焦在被加工样品表面，对曲面进行处理。

为了利用单个光束实现多个无衍射光束的高效加工，可以将空间光调制器的像素阵列拆分为多个单元，每一个单元都加载步骤二设计好的相位τ₂和τ₃，从而可以在任意位置加载生成长度和轴向强度可调的无衍射光束，进而可以提高加工效率。

通过控制步骤三中所述的可调无衍射光束的加工参数可以加工出不同结构参数的表面微纳结构，从而实现对于曲面表面性能的灵活调控。

所述加工参数包括扫描间距、扫描速度和扫描重复频率。

一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工的装置，包括飞秒激光系统、能量控制装置、空间光整形器、和六维精密位移平台；

连接关系：飞秒激光系统、能量控制装置、空间光调制器依次平行、同轴放置。加工样品待加工区域位于整个系统和六维精密位移平台的中心；

光路：飞秒激光产生短脉冲飞秒激光，利用能量控制装置调整激光能量后，使用光阑对入射的高斯光束进行光斑大小进行调节；调节完的光束平行入射进入加载可调无衍射光束相位的空间光调制器中，空间光调制将高斯光束整形为可调无衍射光束，入射光斑应该尽量充满调制器的孔径，保证新型无衍射光束的整形效果；加工样品固定在六维精密位移平台上，移动六维精密位移平台使加工样品位于无衍射区域。

有益效果

1、本发明在空间光调制器上加载相位τ₂可以生成长度可调的新型无衍射光束，这种光束具有可控的无衍射区域长度；

2、本发明在空间光调制器上加载相位τ₃可以生成轴向强度可调的新型无衍射光束，这种光束的轴向强度分布可以任意调节；

3、本发明在空间光调制器上加载相位τ₂和τ₃可以生成无衍射区域长度以及轴向强度分布灵活可调的新型无衍射光束，这种光束可以对无衍射区域的长度以及轴向强度分布同时调节；

4、本发明在空间光调制器上加载相位τ₂和τ₃生成的可调无衍射光束能够通过在二维平面上移动平移台加工曲面，实现了降维加工，从而极大地降低了加工难度、提高了加工效率，可以广泛地应用于实际应用中；

5、本发明将空间光调制器的像素阵列拆分为多个单元，每一个单元都可以加载相位τ₂和τ₃，从而可以在任意位置加载生成长度和轴向强度可调的无衍射光束，进而可以提高加工效率；

6、本发明的加工方法不需要提前测量曲面的轮廓参数，无需测量装置，大大增加了加工的灵活性并且降低了装置搭建成本；

7、本发明通过控制新型无衍射光束的扫描间距、扫描速度和扫描重复频率可以加工出不同结构参数的表面微纳结构，从而实现对于曲面表面性能的灵活调控；

8、本发明的加工方法可以处理的材料范围广，可以对难加工的硬脆材料进行曲面处理。

附图说明

图1为本发明一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法的光路搭建示意简图，其中六维精密位移平台省略未在图中展示。虚线框内为加载设计相位图后所产生的新型无衍射光束的光强分布图；

图2为整形原理图；其中图2a和2b为利用新型无衍射光束实现无衍射区域长度调节的示意图；图2c和2d为利用新型无衍射光束实现轴向强度调节的示意图；图2e和2f为利用新型无衍射光束多焦点调节的示意图；

图3为加工结果；其中，图a为100mW下加工结果；图b为120mW下加工结果；图c为为z＝5cm处加工出的微纳结构；图d为z＝15cm处加工出的微纳结构

图4为本方法进行曲面加工的加工原理图。

其中，1-飞秒激光系统、2-能量调节装置、3-分光镜、4-空间光调制器、5-样品。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

利用一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法实现无衍射区域长度调节加工的装置，如图1所示，主要由飞秒激光系统1、能量调节装置2、分光镜3、空间光调制器4和样品5组成，具体步骤如下：

利用能量调节装置对飞秒激光高斯光束进行能量控制，初始能量为100mW；在传统无衍射光束相位τ₁基础上加载平凹透镜相位τ₂：

其中，i为虚数单位，f＝200mm，n＝50。利用τ₁和τ₂计算出相应的相位图，并加载在空间光调制器上，得到无衍射区域加长的可调无衍射光束。如图2a为传统无衍射光束，无衍射区域长度为20cm，图2b为整形后可调无衍射光束，无衍射区域长度为30cm，其长度得到显著增加。

将加工样品铜置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将上述可调无衍射光束聚焦在铜表面，加工曲面。改变激光能量可以在曲面上实现不同表面微纳结构的加工，如图3a所示为100mW下加工结果，图3b为120mW下加工结果，可以发现表面微纳结构周期从660nm降低到了640nm，不同的表面微纳结构周期具有不同的反射特性、浸润性。

实施例2

利用一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法实现无衍射区域均一轴向强度调节加工的装置，如图1所示，主要由飞秒激光系统1、能量调节装置2、分光镜3、空间光调制器4和样品5组成，具体步骤如下：

利用能量调节装置对飞秒激光高斯光束进行能量控制，初始能量为100mW；在传统无衍射光束相位τ₁基础上加载平凹透镜相位τ₃：

其中，g(z)＝100,束腰半径为3.5mm，z₀＝0。利用τ₁和τ₃计算出相应的相位图，并加载在空间光调制器上，得到无衍射区域轴向强度均一的新型无衍射光束。如图2c为传统无衍射光束轴向强度分布，图2d为整形后新型无衍射光束轴向强度分布，其强度随着传播方向保持不变。

将加工样品铜置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将上述可调无衍射光束聚焦在铜表面，加工曲面。在不同的无衍射光束区域所加工的表面微纳结构保持一致。如图3c为z＝5cm处加工出的表面微纳结构，图3d为z＝15cm处加工出的表面微纳结构，其结构稳定均一。利用拆分空间光调制器像素单元的方式对该光束进行拆分整形，如图2e和2f所示，其焦点个数由单个焦点被调制为16个焦点，大大增加了加工效率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：利用能量调节装置对飞秒激光高斯光束进行能量控制；

步骤二：根据曲面加工的需要设计相位分布并生成相位图；在空间光调制器上加载生成的相位图实现对无衍射区域长度、轴向强度的灵活调控；

传统无衍射光束的相位τ₁为：

τ₁(r,z)＝krsinβ (1)

其中，r为极坐标系极轴坐标，z为传播距离，β为等效锥透镜发散角，k＝2π/λ，为入射激光波失；为了实现对无衍射光束的长度进行灵活调节，需要在相位τ₁基础上加载平凹透镜相位τ₂：

其中，i为虚数单位，f为平凹透镜的焦距，n为足够大的实数；为了实现对无衍射光束的轴向强度的调控，需要在相位τ₁或τ₂基础上加载相位τ₃：

其中，A₀为初始振幅，w₀为光束束腰半径，m、n为自然数，z₀为传播方向任意位置坐标，g为轴向任意函数表达式；无衍射光束的强度I与传播距离z的关系为：

其中J₀为零级无衍射函数；据此能够对无衍射光束传播过程中任意位置的轴向强度进行灵活调节；

利用公式(2)能够对无衍射光束的长度进行调节，利用公式(3)能够对轴向强度进行调节，综合公式(2)和(3)能够对无衍射光束长度和轴向强度进行同步调节；

利用上述的公式进行编程得到相位图；在空间光整形器上加载上述相位图，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为新型无衍射光束，实现对最终产生的无衍射区域的灵活调控；

步骤三：控制样品运动，将步骤三中得到的新型无衍射光束聚焦在被加工样品表面，处理曲面。

2.如权利要求1所述的一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，其特征在于：将空间光调制器的像素阵列拆分为多个单元，每一个单元都加载步骤二得到的相位τ₂和τ₃，从而能够在任意位置加载生成长度和轴向强度可调的无衍射光束，即利用单个光束实现多个无衍射光束的高效加工。

3.如权利要求1所述的一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，其特征在于：通过控制步骤三中所述的无衍射光束的加工参数能够加工出不同结构参数的表面结构，从而实现对于曲面表面性能的灵活调控。

4.如权利要求3所述的一种可调飞秒激光无衍射光束曲面表面结构高效加工方法，其特征在于：所述加工参数包括扫描间距、扫描速度和扫描重复频率。

5.实现如权利要求1或2或3或4所述方法的装置，其特征在于：包括飞秒激光系统、能量控制装置、空间光整形器、和六维精密位移平台；

飞秒激光产生短脉冲飞秒激光，利用能量控制装置调整激光能量后，使用光阑对入射的高斯光束进行光斑大小进行调节；调节完的光束平行入射进入加载新型无衍射光束相位的空间光调制器中，空间光调制将高斯光束整形为新型无衍射光束，入射光斑应该尽量充满调制器的孔径，保证新型无衍射光束的整形效果；加工样品固定在六维精密位移平台上，移动六维精密位移平台使加工样品位于无衍射区域。